浅谈某复材叶片无损检测的方法

浅谈某复材叶片无损检测的方法

罗媛媛

惠阳航空螺旋桨有限责任公司  保定市  071000

摘要：当复合材料中含有孔隙缺陷时，超声波的衰减会很厉害，影响超声波的传播速度，因此孔隙率与超声波衰减量和速度存在一定的相关性。大多数超声检测方法都是通过建立超声特征参数的变化与孔隙含量之间的关系来对复合材料孔隙含量进行评估。

关键词：超声波检测、孔隙率、回波高度

1、引言

模压工艺制作的某复材叶片内部易出现树脂堆积、纤维分布不均匀等现象。这些现象均对声波衰减产生影响，对孔隙率评价造成干扰。通过对某复材叶片进行回波率及孔隙率检测分析，建立回波率和孔隙率对应关系。重点开展模压工艺复合材料孔隙率标准试块制备、孔隙率检测影响因素分析、孔隙率工程化检测方法研究及检测准确性评估等研究工作。

2、复材叶片检测简介

2.1叶片结构简介

叶片主要组成部分为内缘板、叶身、外缘板、镍包边和金属衬套，叶片所用材料为高温固化环氧玻璃布、碳布，叶片一次模压成型，成型过程中将两个衬套与叶片一起粘接成型。为防止某复材叶片前缘磨蚀和布层开裂，在其前缘粘接了金属镍包边。

2.2叶片无损检测内容

2.2.1渗透检测

复材叶片用衬套和包边，零件状态下进行渗透检测，可有效检测出衬套及包边的表面开口性不连续，如裂纹、折叠等缺陷。

2.2.2超声波检测

叶片为模压成型，叶身部位会产生内部分层、气孔、孔隙（层间孔隙和体积孔隙）、夹杂等缺陷，超声波脉冲反射法检测是最灵敏、有效的方法。超声波穿透法可以用于检测包边部位胶接质量。

2.2.3敲击法检测

敲击法是检测胶接质量最简单易行、廉价、古老的一种方法，至今仍在广泛应用。利用硬币、端头光滑的特制圆形小金属棒、铝质的小锤等工具以每秒4次的速率轻轻敲击组件，胶接质量好的部位会产生均匀的振动，发声尖锐而清脆；若脱粘或空穴部位，将发出较低沉的空洞声。此方法适应于0.3-1.5mm薄面板组件脱粘的检测，检测灵敏度较低。

2.2.4激光全息检测

全息检测以光波干涉原理为基础，把位相信息转化为光强度的变化，形成干涉条纹图。激光全息检测法可检测包边部位的胶接质量情况，采用热加载或真空加载技术，检测简单、快速。

3、超声波检测方法的研究

3.1超声波检测分层缺陷

3.1.1分层缺陷试验件的制作

为模拟某复材叶片叶身和R角位置分层检测，以及验证能检测的最小缺陷数值，制作分层模拟试验件3件。

试验件1：铺层时，YB-6下脱模布铺层铺完后在小缘板R角处沿弦向居中位置放置10mm×6mm的脱模布夹层，YB-1下模布层铺完后在大缘板R角处沿弦向居中放置10mm×6mm的脱模布夹层；在上模铺放第4层碳布（YP-4）后沿弦向居中位置，沿展向均匀分布Φ4、Φ6、Φ8、Φ10、Φ12脱模布夹层，同样脱模布放置2块。

试验件2：在上模铺放第7层碳布（YP-7）后沿弦向居中位置，沿展向均匀分布Φ4、Φ6、Φ8、Φ10、Φ12脱模布夹层，同样脱模布放置2块。

试验件3：在下模铺放第4层碳布（YB-4）后沿弦向居中位置，沿展向均匀分布Φ4、Φ6、Φ8、Φ10、Φ12脱模布夹层，同样脱模布放置2块。

3.1.2分层缺陷试验件的检测

叶身检测采用V133RM探头，探头频率为2.25MHz，晶片尺寸为6mm，经过标准试块调节灵敏度为29.6dB，可以清晰发现所有预埋分层缺陷。R角区域采用延迟块探头V202RM，探头频率为10MHz，晶片尺寸为6mm，延迟块材质为有机玻璃，可以磨合成R角弧度，配合凝胶耦合剂，尽力做到贴合，减少声能量损失。分层预埋缺陷也能被清晰展现。

以上分层预埋缺陷件逐个进行了CT和射线检测，由于某复材叶片厚度薄、缺陷尺寸小、CT和射线检测系统分辨率低等因素，未能发现任何异常现象。因此，超声波检测是发现某复材叶片内部分层缺陷最佳检测方法。

3.2超声波检测孔隙缺陷

3.2.1复合材料中孔隙的形成及影响

孔隙的形成有两种原因：一是制作过程中树脂未完全浸润或叠层间空气未完全排除，造成空气存留在其中，这种原因形成的孔隙一般数量较多，形状是扁圆形或拉长形；二是由于工艺加工过程中产生挥发性物质，这时形成的孔隙一般呈圆形，孔隙数量较少，孔隙的尺寸一般较小，直径为几微米到几百微米。评定孔隙对材料影响程度大小的定量指标是孔隙率，有面积孔隙率和体积孔隙率两种定义。面积孔隙率是单位面积所含孔隙的面积的百分比，体积孔隙率是单位体积所含孔隙的体积百分比。

孔隙的出现会降低材料的性能，如层间剪切强度，纵向和横向的弯曲强度和拉伸强度、抗疲劳性以及高温下的抗氧化性能等。纤维增强复合材料中孔隙含量在4%以下时，孔隙含量每增加1%，层间剪切强度通常会下降5%-10%，甚至可以达到20%，所以即使较为次要的结构件，孔隙含量也不能超过2%。因此孔隙率的检测对复合材料的性能保证非常重要。

3.2.2孔隙缺陷模拟试验件的制作

超声波检测孔隙，直接的反应就是底波回波衰减或者消失。为研究孔隙率与底波衰减的对应关系，需制作30-40块不同厚度和不同孔隙数值的试块进行测试，拟合对应曲线，找到对应规律。常规平板试块，表面缺胶严重，声波在入射到试块前就已经严重衰减，不能真实反应内部状态，反复制作几批平板试块，均截取不出有效位置。最终采用之前不合格产品中，底波回波不高的部位，先进行超声波检测，按底波回波高度分类好，再截取其中一部分送金相进行孔隙率的检测。鉴于检测标准为“底波高度不低于50%”的要求，选取回波高度小于或者等于50%的叶片，截取试验试块。由于R角区域特殊的弧度，超声波检测时底面回波时有时无，无法准确监测回波高度，所以此区域暂时未做研究。

3.2.3孔隙率与回波高度的对应

当复材叶片中存在大量孔隙时，超声波经过孔隙损失的能量增加，而导致发射到叶片底部的超声波能量有明显损失，从而使底波波幅降低。随着孔隙率的增长，底波回波高度呈下降趋势。超声底波的衰减包括前表面的损失、后表面的损失和在复合材料内部的损失。对于表面曲率突变或不平整的工件，内部孔隙尺寸、形状、方位、深度、分布情况，超声检测设备等因素影响，孔隙率测量需详细研究气孔的结构，建立比较合适的数学模型，理想的检测方法应该排除所有影响因素，独立于树脂基体结构和纤维层结构的存在。

拟合超声衰减曲线，是检测孔隙率有效的方法，但制做孔隙率的试块比较困难，其工艺复杂、成本高昂。目前的做法是通过控制成型压力等工艺参数以获得不同孔隙率的复合材料板，最终获得的孔隙率的数值难以准确预测。由于整块板内的孔隙率分布不均匀，必须将整个面积上的超声衰减平均化。结合剖面显微照相法，以准确地确定超声衰减和孔隙率的关系。因此孔隙率试块的制造需要大量的经费和时间，短期内无法准确拟合出可以实用的有效曲线。

尽管国内外研究学者围绕孔隙率衰减法检测的实验测试及理论分析开展了大量工作，但至今尚未建立能用于工程实践的孔隙率无损检测技术。其中重要原因之一，在于未能建立能够客观描述含孔隙复合材料弾性性能的理论模型，难以给出孔隙与超声波散射衰减系数之间的本质相关性。现有理论模型在计算超声散射衰减时通常将孔隙简化为规则的球形或圆盘形，再进行方程运算。此法虽然具有简单、快速等特点，但其引入的假设偏离了实际复合材料中孔隙的形貌特征，导致理论分析与试验测试结果之间存在明显偏差。

3.3  超声波检测夹杂缺陷

  超声波检测某复材叶片叶身夹杂，波形表征为两种形式：一是具有明显的中间波，底波降低且显示具有规则形状；二是没有中间波，底波降低且显示有规则的形状。所以当出现异常波形时，根据缺陷形状，是可以区分夹杂和分层、孔隙的。